300 MW火力發電機組交流事故保安段分段改造的實施探討

彭啟東

（國能四川能源有限公司江油發電廠，四川綿陽 621709）

0 引言

火力發電廠廠用交流事故保安電源系統負責為機組運行時所有0、Ⅰ類負荷提供工作電源，同時在全廠停電或單元機組失去廠用電時，它也是保證機爐設備安全或者防止人身傷害等必需的交流電源系統。依據《火力發電廠廠用電設計技術規程》（DL/T 5153—2014），交流保安電源宜采用自動快速啟動的柴油發電機組，每臺300 MW機組設置一臺柴油發電機組，交流保安母線段應采用單母線接線，按機組分段[1]。

保安電源的接線方式及工作電源、備用電源的切換方式與系統的安全性和可靠性密切相關，并直接關系到主設備的安全運行及人員人身安全，是交流事故保安電源系統設計的主要原則。在火力發電廠中，汽機盤車電機、交流潤滑油泵、各種輔機的潤滑油泵、火檢風機及電廠的UPS工作電源、事故照明等直接影響主設備安全和運行管理的負荷均接在交流事故保安電源系統中，經過長期運行實踐，依據《火力發電廠廠用電設計技術規程》（DL/T 5153—2014）設計的保安段方案，在安全性、可靠性及運行試驗等方面已經表現出一些不足。

1 300 MW機組保安段現狀

本文以國能江油熱電有限公司2×300 MW機組保安段系統為例，探討300 MW機組保安段的現狀。

1.1 保安段母線方式及負荷配置

如圖1所示，國能江油熱電有限公司2×300 MW機組汽機保安段現采用單母線方式運行，其負荷基本都是采用雙套配置的，同時雙套負荷基本分開布置在保安段的兩側。

圖1 汽機保安段一次系統圖

1.2 保安段控制切換方式

以汽機保安段為例，保安段電源采用兩路PC段供電、一路柴油發電機供電的方式，其切換采用DCS邏輯組態，投聯鎖后可自動切換[2]。汽機保安段的切換試驗如下：

（1）DCS控制回路：保安段任意開關在合位，只要給DCS發低電壓信號，DCS聯鎖投入，DCS將斷開工作開關；同時檢測柴油發電機進線開關在斷位，另一備用開關的上級開關在合位，將發指令合另一備用開關；如低壓信號仍在，將繼續發剛合上的開關；同時啟動柴油發電機，啟動正常后合柴油發電機出口開關，繼續檢測到兩路工作電源開關均在斷開位置及低電壓故障信號，將合保安段柴油發電機進線開關。

（2）電氣控制回路：任一進線上級開關將通過進線開關XB1連跳進線開關，或者母線電壓低同時柴油發電機出口開關4300合將通過本進線開關出口壓板XB2跳保安段工作一或工作二進線開關，同時電氣回路通過柴油發電機進線開關斷位、一路工作電源開關分位，另一路工作電源開關上級開關合位直接合另一路工作電源開關，不判失壓信號；或者通過低壓信號加工作電源開關高跳低回路接點和XB3壓板直接合另一工作電源進線開關。

（3）DCS回路通過檢測兩個保安段進線開關斷位、低電壓信號和柴油發電機進線開關合位自動發合保安段柴油發電機進線開關。

2 保安段的失電故障情況及分析

2.1 保安段失電事件

近年來，某公司已發生多起非停事件：

（1）2020年12月某電廠31號機組火檢冷卻風失電非停事件。該機組鍋爐MCC2段上某抽屜開關空開上樁頭發生三相金屬性短路，短路故障導致該機組鍋爐PC-A段跳閘。鍋爐PC-A段失電引起鍋爐保安段失電，同時因中間繼電器線圈損壞，PT低電壓信號無法送至DCS邏輯，保安段切換失敗，最終導致保安段失電，機組跳閘。

（2）2021年7月四川某電廠送風機油站故障非停事件。送風機油泵電機故障時，因未能快速切除故障點，故障進一步擴大，造成380 V鍋爐保安段電壓降低至60%Un。由于保安段上380 V負荷控制電源均采用交流控制，取自自身動力電源，電壓降低引起本機組鍋爐A、B側送風機油站控制箱內電源均掉電，同時保安段上A/B空預器稀油站、A/B火檢風機等運行設備就地控制箱均因保安段電壓低掉電，送風機油站油壓低，A/B送風機跳閘，“送風機全?！卑l出，觸發“鍋爐MFT”動作，機組跳閘。

總結上述兩起非停事件，究其根本，均是鍋爐保安段失電、失壓，最終導致機組停機。上述兩起非停事件充分暴露了保安段單段運行供電的弊端，因此保安段單段運行的供電可靠性問題逐漸引起各電廠重視。

2.2 防止保安段失電情況分析

火電機組保安段上設備絕大部分為機組0、Ⅰ類負荷，且危及機組安全運行的設備均為雙套配置。對于單段保安段機組，其重要的0、Ⅰ類負荷均配置于同一段上，《火力發電廠廠用電設計技術規程》中未明確300 MW機組保安段分段配置，而在國內相同等級機組的實際運行過程中單母線運行方式頻繁出現失電、失壓事件，已發生過多起因保安段某一設備故障引起整個保安段失電，最終保安段失電導致機組非停的事件。從近年來新建機組保安段配置情況看，新建機組均采用了保安段分段配置的形式。

綜上所述，從火力發電廠機組設計理念和電廠實際運行情況來看，對發電廠保安段進行分段已是電力系統及電廠設計、實際運行的潮流方向。調查研究國內相同容量機組，部分發電廠已提前實施了保安段分段改造，其中就包括廣安電廠。通過向廣安電廠咨詢分段改造后設備運行情況及機組安全情況，得知改造后機組運行良好，雙套配置的設備各自運行、互不影響。咨詢新建機組天明電廠，其保安段均采用雙段分段配置，調試狀態良好。

根據國能江油熱電現保安段采用單母線方式運行的實際及保安段的負荷配置，可以得出保安段負荷基本都是采用雙套配置，同時雙套負荷基本分開布置在保安段兩側。從5#、6#柜間將原保安段母線分段（1#～5#柜為保安Ⅰ段，6#、7#柜為保安Ⅱ段），雙套配置的負荷基本能分開布置到分段后保安段的兩段上，少量負荷可進行調整。因此，將現有母線分段并雙套配置的負荷分段布置更加安全、可靠，也更有利于設備運行，能降低機組的非停風險[3]。

3 防止保安段完全失電、失壓的解決方案

為防止運行機組所有0、Ⅰ類負荷同時失電，引起機組非計劃停運及設備損壞，提出對現有保安段進行分段改造（分為Ⅰ段、Ⅱ段）[4]，以解決保安段在安全性、可靠性以及運行試驗等方面經過長期的運行實踐所表現出的問題。根據國能江油熱電300 MW機組現場實際情況，同時借鑒其他電廠保安段分段經驗，提出300 MW機組實施保安段分段的3種方案[5]。本文以#3機汽機保安段分段為例，具體如下。

3.1 方案1：將保安段分為各自獨立運行的兩段

分段方案1如圖2所示，將保安段分為完全獨立的兩段，對汽機保安段進行分段改造。

根據300 MW機組汽機保安段上現有運行設備布置情況，可將汽機保安段直接分段，將雙套配置的設備分別布置在分開后的兩段上。分開后的兩段保安段工作電源一路取自汽機PC-A段，另一路取自汽機PC-B段。分開后的兩段保安段的柴油發電機備用電源采用并聯的方式取自原柴油發電機備用電源開關的進線處。

（1）一次系統配置：分段后的兩段保安Ⅰ段、Ⅱ段均設置兩路工作電源（分別取自PC-A和PC-B段）、一路柴油機電源（利用原柴油機段的斷路器及電纜，在保安段處并接兩個斷路器，分別為Ⅰ段、Ⅱ段供電），每段配母線PT柜。分段后系統如圖2所示，標準運行方式：保安Ⅰ段，PA-A段為工作電源，PA-B段為備用電源；保安Ⅱ段，PA-B段為工作電源，PA-A段為備用電源；自動聯動。

圖2 分段方案1（以#3機汽機保安段為例）

（2）控制及切換邏輯：需增加熱工點位及邏輯控制方式，控制及切換邏輯參照現有保安段控制及切換邏輯（通過DCS組態實現）。

（3）設備增加情況：需增加兩面配電柜：含三個電源斷路器柜、一個PT柜。機組鍋爐PC-A/B段有框架斷路器的備用間隔，無須增加配電柜，但需要更換原有斷路器。機組汽機PC-A/B段無框架斷路器的備用間隔，汽機PC-A/B段需各增加配電柜一面（兩個電源斷路器）。PC段至新增的保安段及柴油發電機備用電源并聯采用動力電纜（RZ-YJV22-1 3*185+95）。參照現有保安段增加控制及切換邏輯，每段的三路電源可以自動、手動切換，工作/備用電源可自動聯動。

本方案分段改造的優缺點如下：

優點：兩段完全獨立，電源配置完備，可靠性高，能夠解決問題；控制及切換邏輯基本按原設計，已實際使用，成熟可靠。

缺點：相比方案2每臺機組需多增加兩面配電柜（汽機PC段）、4個框架斷路器以及PC段至保安段的電纜，投資較方案2高約30萬元；需從PC段新增電源，工程量較大。

3.2 方案2：將保安段分成能夠互相備投的兩段

分段方案2如圖3所示，將保安段分成能夠互相備投的兩段，對汽機保安段進行分段改造。

圖3 分段方案2

根據300 MW機組汽機保安段上現有運行設備布置情況，可將汽機保安段分為兩段后中間采用DCS切換或電源切換裝置進行兩段之間的連接切換。將原保安段上雙套配置的設備分別布置在分開后的兩段上，將原保安段的兩路工作電源分別接至分開后的兩段保安段上作為各自的工作電源。分開后的兩段保安段的柴油發電機備用電源采用并聯的方式取自原柴油發電機備用電源開關的進線處。

（1）一次系統配置：分段后的兩段保安Ⅰ段、Ⅱ段間設置聯絡開關，每段一路工作電源（Ⅰ段取自PC-A段，Ⅱ段取自PC-B段），每段設置一路柴油機電源（利用原柴油機段的斷路器及電纜，在保安段處并接兩個斷路器，分別為Ⅰ段、Ⅱ段供電），每段配母線PT柜。分段后系統如圖3所示，標準運行方式：保安Ⅰ段由PA-A段供電，保安Ⅱ段由PA-B段供電，Ⅰ段、Ⅱ段通過聯絡開關互為備用，自動聯動。

（2）控制及切換邏輯：需要對現有DCS邏輯進行設計修改，改動較大。此種方案雖然投資較少，但切換時配合環節多，DCS邏輯改動較多，點位增加較多。保安段兩段之間存在同級之間的聯絡關系。

（3）設備增加情況：需增加兩面配電柜，含一個聯絡斷路器柜、柴油機電源、一個PT柜。機組汽機、鍋爐PC-A/B段無須增加配電柜。增加聯絡開關及柴油發電機備用電源并聯的動力電纜（RZ-YJV22-1 3*185+95）。Ⅰ段、Ⅱ段工作/備用電源聯絡間可自動聯動（通過DCS組態或電源切換裝置實現），也可不自動聯動，通過人工斷合。

本方案分段改造的優缺點：

優點：投資較方案1少；無須從PC段新增電源，工程量少。

缺點：切換時兩段工作電源間、工作電源與聯絡開關、柴油機與工作電源和聯絡開關間相互配合環節多，需重新設計DCS邏輯，有一定風險。

3.3 方案3：柴油發電機進線不變，將保安段分成能夠互相備投的兩段

分段方案3如圖4所示，柴油發電機進線不變，將保安段分成能夠互相備投的兩段，對汽機保安段進行分段改造。

圖4 分段方案3

方案3與方案2相同之處不再贅述，僅在柴油發電機進線方式上有所不同，分段后的兩段保安段根據實際分段情況保持原柴油發電機備用電源進線開關和位置不變，即柴油發電機備用電源進線只上兩段保安段的其中一段。采用此方案分段，可最大限度降低投資、減少施工，也是分段變動最小的方案。

（1）一次系統配置：分段后系統如圖4所示。

（2）控制及切換邏輯：需要對現有DCS邏輯進行設計修改，增加開關不多，改動不大，可采用電源自動切換裝置進行兩段間的切換。此種方案投資最少，新增開關不多，切換邏輯變動不大，DCS可實現。

（3）設備增加情況：需增加一個聯絡斷路器、一個PT柜。增加聯絡開關之間的動力電纜（RZ-YJV22-1 3*185+95）。Ⅰ段、Ⅱ段工作/備用電源聯絡間可自動聯動（通過DCS組態或電源切換裝置實現），也可不自動聯動，通過人工斷合。

本方案分段改造的優缺點：

優點：本方案投資最少，系統變動最小，施工難度小，切換邏輯變動小。

缺點：保安段兩段之間存在同級之間的聯絡關系。

4 結語

本文闡述了現行300 MW機組保安段電源一次系統母線及各負荷的運行方式，分析提出了保安段電源分段的改造方案、改造過程及優化空間。各300 MW機組發電廠在實施機組保安段分段技改時，可根據各自具體情況選擇不同的分段方案實施。交流保安電源是發電廠廠用電系統的重要組成部分，在實際供電方式中，各廠還可結合自身的具體情況，采用引入其他方式及可靠電源作為保安電源來提升保安電源系統運行的可靠性、靈活性和經濟性[6]。